刻蚀培训教材

1、Company Confidential 1Do Not Copy刻蚀工艺培训教材刻蚀工艺培训教材Company Confidential 2Do Not Copy摘摘 要要 集成电路制造介绍 刻蚀工艺基本概念Company Confidential 3Do Not Copy集成电路制造介绍 电路、芯片、管芯 集成电路制作过程 局部管芯剖面（BiCMOS工艺）Company Confidential 4Do Not Copy芯片、管芯、集成电路芯片、管芯、集成电路Company Confidential 5Do Not Copy集成电路制作过程集成电路制作过程氮化硅/氧化膜氧化膜多晶硅沉积硅化

2、钨沉积TEOS 沉积硼磷氧化膜金屬膜保护层沉淀匀光刻胶曝 光显 影化學蝕刻電漿蝕刻离子注入光罩投入硅片投入激光刻号硅片清洗去胶金属热处理/电性能测试晶 背 研 磨硅片测 試成品产出成 品 測 試硅片封装WATCP SortCompany Confidential 6Do Not CopyBiCMOS剖面（双层金属连线）剖面（双层金属连线）Company Confidential 7Do Not Copy刻蚀工艺基本概念刻蚀工艺基本概念 一、刻蚀的目的及作用 二、刻蚀基本原理原理与过程 三、刻蚀工艺的发展及我公司刻蚀当前状况 四、刻蚀工艺评价项目、方法及标准 五、刻蚀工艺控制方法 六、刻蚀工艺选

3、择需考虑的因素 七、刻蚀工艺常见问题Company Confidential 8Do Not Copy一、刻蚀的目的及作用一、刻蚀的目的及作用 刻蚀是用物理或化学的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程；一般分为两种：湿法刻蚀、干法刻蚀。 刻蚀的基本作用是准确地复制掩膜图形，以保证生产线中各种工艺正常进行。Company Confidential 9Do Not Copy二、刻蚀过程与原理二、刻蚀过程与原理Company Confidential 10Do Not Copy湿湿 法法 腐腐 蚀蚀（WET ETCHING) 湿法腐蚀原理 常见设备工作图 主要试剂及用途 优点及缺点 生产线应

4、用 工艺主要控制参数Company Confidential 11Do Not Copy湿法刻蚀原理湿法刻蚀原理 通过合适的化学溶液与所欲蚀刻的材质进行化学反应，然后转成可溶于此溶液的化合物，而达到去除的目的。 湿法蚀刻的进行主要是凭借溶液与欲刻蚀材质之间的化学反应，因此，我们可以籍由化学溶液的选取与调配，得到适当的蚀刻速率，以及欲蚀刻材质对下层材质的良好蚀刻选择比。 各向同性刻蚀Company Confidential 12Do Not Copy湿法腐蚀湿法腐蚀（WET ETCHING)二氧化硅腐蚀二氧化硅腐蚀 -Silicon Oxide EtchSiO2 + 6HF H2SiF6 + 2

5、H2OHF : 刻蚀剂, NH4F : 缓冲剂多晶硅腐蚀多晶硅腐蚀 -Poly-Si EtchSi + HNO3 + 6HF H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O HNO3 : 氧化剂, HF : 刻蚀剂金属铝腐蚀金属铝腐蚀 -Al EtchHNO3 : 氧化剂, H3PO4 :刻蚀剂, CH3COOH : 缓冲剂氮化硅腐蚀氮化硅腐蚀 -Silicon Nitiride EtchHot (150) H3PO4 :刻蚀剂3去胶去胶 - SC-3（120）H2SO4 + H2O2 = H2SO5 + H2OH2SO5 + PR = H2SO4 + CO2 + H2OCompany Co

6、nfidential 13Do Not Copy湿法腐蚀槽示意图湿法腐蚀槽示意图M M过滤器热交换器循环泵硅片外槽内槽试剂Company Confidential 14Do Not Copy主要的化学试剂主要的化学试剂 BOE、BHF（HF/H2O) 氟化氨腐蚀液 （NH4F/HF/H2O) 混酸4F（HNO3/ NH4F/HF/H2O） 铝腐蚀液（HNO3/H3PO4/CH3COOH) 热磷酸（H3PO4) KOHCompany Confidential 15Do Not Copy湿法刻蚀的优点及缺点湿法刻蚀的优点及缺点优势优势 Advantage-设备简单 -可靠性-低成本-大通量-高选择

7、比 缺点缺点 Disadvantage-各向同性刻蚀 -CD难控制 -刻蚀度（过刻）不易控制 -不能应用于小尺寸-操作困难及危险-环境污染Company Confidential 16Do Not Copy生产线上的主要用途 大尺寸图形腐蚀，例埋层（BL） 氧化层漂净,例外延前氧化层漂净 SiN剥离 引线孔、通孔斜面腐蚀 压点腐蚀Company Confidential 17Do Not Copy主要控制参数主要控制参数 主要控制参数 腐蚀速率 溶液温度（热交换器、循环装置） 溶液浓度（添加试剂、加工片量、放置时间） 腐蚀时间 人工计算 终点控制Company Confidential 18D

8、o Not Copy刻蚀的方向性刻蚀的方向性各向同性(ISOTROPIC)各向异性(ANISOTROPIC)Company Confidential 19Do Not Copy干干 法法 刻刻 蚀蚀 干法刻蚀原理 什么是等离子体 常见刻蚀设备 干法刻蚀基本方法 侧壁保护刻蚀 终点控制（End Point Detection） 优点及缺点 生产线应用Company Confidential 20Do Not Copy干法刻蚀干法刻蚀（DRY ETCHING）l 等离子干法刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤： 在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体，等离子体是由带电的电子和离子

9、组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团（Radicals） 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物 反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。l 各向异性刻蚀各向异性刻蚀Company Confidential 21Do Not Copy什么是等离子体什么是等离子体等离子体是低压气体(一般 1 torr)在外界电场(DC, AC, RF, wave)作用下，局部气体发生电离而产生的；它由正离子，电子，中性原子，中性分子组成。Company Confidential 22Do Not Copy电离 Ioniza

10、tion分裂 Dissociation激发 ExcitationCompany Confidential 23Do Not Copy桶式等离子刻蚀机桶式等离子刻蚀机Company Confidential 24Do Not Copy平板式等离子刻蚀机平板式等离子刻蚀机Company Confidential 25Do Not CopyHigh density plasma (HDP) systemECR vs ICP ECR was introduced at OPT in 1985.ICP was introduced much later (1991- 1995) for plasma p

11、rocessing.most important with both: independent control of ion energy and ion current densitylower (substrate) electrode grounded, RF driving opt.Electron CyclotronResonance (ECR)Inductively coupledplasma (ICP)Company Confidential 26Do Not Copy等离子刻蚀的基本方法等离子刻蚀的基本方法 1.化学刻蚀化学刻蚀 Chemical Etching 2.物理刻蚀物

12、理刻蚀 Sputtering Etching 3.离子增强刻蚀离子增强刻蚀 Ion Enhanced Etching RIE 反应离子刻蚀反应离子刻蚀 MERIE 磁场增强反应离子刻蚀磁场增强反应离子刻蚀 ECR 电子回旋共振刻蚀电子回旋共振刻蚀 ICP 感应耦合等离子体刻蚀感应耦合等离子体刻蚀Company Confidential 27Do Not Copy1.化学刻蚀化学刻蚀 Chemical 气体被离子化，形成等离子体。 等离子体中的活性基团与基板物质反应，生成挥发性物质被抽走。 各向同性 纯化学反应 选择比高 反应压力高 通量大 低电子损伤 例：等离子去胶Company Confid

13、ential 28Do Not Copy2.物理刻蚀物理刻蚀 Sputtering 离子在电场作用下通过离子轰击，撞出衬底原子。 纯物理反应 各向异性 选择比差 反应压力低 单片工艺 刻蚀速率低 例：反溅射Company Confidential 29Do Not Copy3.离子增强刻蚀离子增强刻蚀 Ion Enhanced Etching 离子轰击增加活性基团与基板材料的反应 损伤增加生成物的挥发 化学溅射 以化学方式增加物理溅射 离子反应Company Confidential 30Do Not Copy等离子刻蚀的的速率比较Company Confidential 31Do Not C

14、opy等离子刻蚀各种效果图等离子刻蚀各种效果图Company Confidential 32Do Not Copy各种等离子刻蚀比较Company Confidential 33Do Not Copy干法刻蚀材料、气体及产物干法刻蚀材料、气体及产物Company Confidential 34Do Not Copy侧壁保护的等离子刻蚀 Protective Ion Enhanced 一层保护膜在硅片上淀积，阻止反应剂到达被刻材料表面，使反应停止 表面离子轰击破坏保护膜，使反应继续。 侧壁由于离子轰击能量小，无法破坏，因此反应停止 不挥发的高分子膜 -(N2 , HBr, BCl3, CH3F

15、.) Company Confidential 35Do Not Copy侧壁保护刻蚀过程侧壁保护刻蚀过程Company Confidential 36Do Not Copy侧壁保护效果图侧壁保护效果图 HCl/O2/BCl3 Chemistry SF6/ CFCl3 Chemistry Company Confidential 37Do Not Copy终点侦测终点侦测(End Point Detection) 干法刻蚀不像湿法刻蚀，有很高的选择比，过度的刻蚀会损伤下一层材料，因此，蚀刻时间就必须正确无误的掌握；另外，机台状态的些微变化，如气体流量、温度、或晶片上材料一批与一批间的差异，都会

16、影响刻蚀时间的控制，因此，必须时常检测刻蚀速率的变化；使用终点侦测器的方法。可以计算出刻蚀结束的正确时间，进而准确地控制过度刻蚀的时间，以确保多次刻蚀的再现性。 常见的终点侦测有三种方法： 1. 光学放射频谱分析(Optical Emission CO-483.5nm AL-396nm) 2. 雷射干涉量度分析(Laser ) 3. 质谱分析(Mass Detection) Laser 利用雷射光垂直射入透明的簿膜，在透明簿膜前被反射的光线与穿透簿膜后被下层材料反射的光线相干涉时，来侦测终点。Company Confidential 38Do Not CopySF6 刻蚀刻蚀 放射光谱图放射光

17、谱图Company Confidential 39Do Not Copy典型终点检测曲线图典型终点检测曲线图Company Confidential 40Do Not Copy等离子刻蚀负载效应 宏观效应 单位面积反应浓度 微观效应 溅射材质 聚合物 生成物扩散Company Confidential 41Do Not Copy干法刻蚀的优点及缺点干法刻蚀的优点及缺点优点 Advantages: 没有光刻胶支持问题 各向同性刻蚀 化学物品消耗少 反应生成物处理成本低自动化程度高程度高 缺点 Disadvantages: 设备复杂， RF, 气体系统气体系统,真空系统真空系统,选择比低残渣、聚合

18、物、重金属产生颗粒使用氟系、氯系气体使用氟系、氯系气体 Company Confidential 42Do Not Copy干法刻蚀在生产线上主要应用干法刻蚀在生产线上主要应用 光刻胶剥离 （干法去胶）Organic stripping 硅刻蚀 Silicon etching 介质层刻蚀Dielectric etching (SiO2, Si3N4, etc.) 金属刻蚀 Metal etching Company Confidential 43Do Not Copy干法刻蚀应用干法刻蚀应用 硅刻蚀 （单晶硅、多晶硅） -工艺 : ISO, WL, BL, Capacitor (SN, CP)

19、, Poly E/B etc -使用气体 : Cl2, HBr, NF3, CF4, SF6, 等 金属刻蚀 （Al,W,Ti,TiN,Pt,） -工艺: WL, BL, Cap, MLM: Al, W, Pt, Ru, Ta, etc -使用气体 : Cl2, BCl3, CCl4, etc 介质刻蚀（SiO2, Si3N4,PSG,BPSG,SiON ） -工艺: ISO, Contact (Poly C/T, Metal C/T, Via), Spacer ，Planar Etch Back, Pad & Repair - 使用气体 : fluoro-compounds(CF4,

20、 CHF4, C4F8,.etc) Company Confidential 44Do Not Copy三、刻蚀工艺的发展及我公司当前刻蚀状况三、刻蚀工艺的发展及我公司当前刻蚀状况Company Confidential 45Do Not Copy我公司当前用到的刻蚀方法主要是湿法腐蚀与等离子刻蚀，适用于线宽1.5um以上产品。其中湿法腐蚀应用工序有：1、氧化层腐蚀：如BL-ET、DI-ET、EI-ET、CW-ET、CO-ET等； 所用机台：湿法腐蚀台（7：1 BOE）2、氮化硅去除：FN-WO 所用机台：磷酸槽（160）3、湿法铝腐蚀：LA-ET 所用机台：铝腐蚀台4、后处理：后处理1（硝酸

21、）、后处理2（混酸4F）、 后处理3（显影液） 所用机台：酸槽Company Confidential 46Do Not Copy等离子刻蚀应用工序主要有：1、氧化层刻蚀：DI-ET、CO-ET、VA-ET、PA-ET等； 所用机台：AME-8110、LAM-590、TEGAL-9032、氮化硅刻蚀：AA-ET、CA-ET等； 所用机台： LAM-490、TEGAL-9013、铝刻蚀：LA-ET、LB-ET。 所用机台： AME-83304、干法去胶： 所用机台：TEGAL-415、TEGAL-915Company Confidential 47Do Not Copy四、刻蚀四、刻蚀工艺评价项

22、目、方法与标准工艺评价项目、方法与标准 刻蚀速率 ETCH RATE 单位时间内刻蚀掉的厚度 均匀性 UNIFORMITY 硅片内或硅片间速率偏差程度 CD损失 CD LOSS 刻蚀前后线条的变化量 选择比 SELECTIVITY 不同材质之间的刻蚀速率比 过刻蚀 OVER ETCH 刻蚀干净后额外的刻蚀量 剖面 PROFILE 刻蚀后台阶的形貌 颗粒 PARTICLE 损伤 PLASMA DAMAGE（干法刻蚀） 聚合物 POLYMER（干法刻蚀） 残留物 RESIDUE（干法刻蚀）Company Confidential 48Do Not Copy刻蚀速率：1、稳定性：反映工艺的可重复能力

23、，要求波动范围在10%以内。可以通过计算CPK大小来进行评价；2、大小：大小直接决定机台通量，因此在稳定性及机台与产品承受能力满足要求的情况下，应尽量提高刻蚀速率。Company Confidential 49Do Not Copy均匀性：umiformity=（max-min）/（2average) 100%1、片内均匀性：一个硅片内不同点间速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。2、片间均匀性：不同硅片间速率偏差大小，越小越好，一般要求在5%以下。Company Confidential 50Do Not CopyCD 损失：不同道次对CD LOSS要求不一。多数道次要求越小越好，但某

24、些道次，如引线孔等，则有特殊要求。Company Confidential 51Do Not Copy选择比：不同材质之间的刻蚀速率比。一般来说，所刻蚀材料对其他材料的选择比越大越好，一般要求大于3：1。但也有例外，如我们当前所用的通孔刻蚀工艺，就要求SiO2：PR的选择比在一定范围内，以保证能够刻出斜孔来。Company Confidential 52Do Not Copy过刻蚀：因为要刻蚀材料的厚度以及刻蚀速率都会有一定的波动，为了保证刻蚀干净，一定量的过刻蚀是必须的。过刻蚀量越多，越能保证刻蚀干净。但过刻蚀会造成CD LOSS、还会对其它材质造成损伤，因此过刻蚀量的确定要根据材质与刻蚀速

25、率均匀性、CD LOSS、刻蚀选择比等来综合确定，一般过刻蚀量在20%-40%之间为宜。Company Confidential 53Do Not Copy剖面（台阶形貌）：台阶形貌对台阶的覆盖能力有很大影响。评价台阶形貌的主要有：1、台阶角度（profile)：对某些道次来说，要求台阶要陡，如多晶刻蚀；对某些道次来说，则要求台阶要较缓，如引线孔刻蚀、通孔刻蚀等；台阶越陡，覆盖能力越差，越缓，覆盖能力越好；2、纵横比（Aspect ratio）： AR=height of feature/width of feature=h/w 纵横比越大，台阶越不易覆盖。Company Confidenti

26、al 54Do Not Copy颗粒：刻蚀过程中所产生的尘埃。越少越好，现在要求干法机台小于50颗，湿法小于30颗。Company Confidential 55Do Not Copy等离子损伤：由于干法刻蚀刻蚀选择性差，特别是物理刻蚀。损伤程度与刻蚀的等离子强度、选择比、刻蚀时间等因素都有关。可接受水平，不同产品、不同的道次要求不一样。比如当前我们有一个产品就不能采用干法刻蚀，因为下面有个光敏管，干法刻蚀的损伤会影响到其性能。Company Confidential 56Do Not Copy聚合物：聚合物能够进行侧壁保护，从而刻蚀出比较陡直的台阶形貌和降低CD LOSS，但太多的聚合物会使

27、刻蚀速率降低，并在腔体及产品表面沉积。导致机台PM的频度提高，另外产品表面的聚合物如果未能有效去除干净，会对产品性能和外观产生不良影响，甚至失效。对聚合物的去除一般会采用专门的材料。Company Confidential 57Do Not Copy残留物： 残留物指刻蚀后残留在产品表面的反应副产物等，其去除不干净同样会影响到产品性能与外观。干法刻蚀时，要求反应生成物应比较容易挥发。大家都知道，铜是一种非常好的金属连线材料，但一直未在集成电路中广泛应用，其中很重要的一点就是其刻蚀后的反应生成物难以去除。Company Confidential 58Do Not Copy五、刻蚀工艺常见控制方法

28、五、刻蚀工艺常见控制方法1、点检：是最基本，也是比较简单与粗略的控制方法，通过对、点检：是最基本，也是比较简单与粗略的控制方法，通过对机台一些可能影响到工艺的内容进行检查，从而确认设备与工艺机台一些可能影响到工艺的内容进行检查，从而确认设备与工艺是否正常的方法。是否正常的方法。常用于对机台及工艺进行初步与直观的判定，比如设备的日常点常用于对机台及工艺进行初步与直观的判定，比如设备的日常点检。检。Company Confidential 59Do Not Copy2、SPEC：对某些相对要求较高、影响因素较多的关键工：对某些相对要求较高、影响因素较多的关键工艺参数，日常点检正常并不能保证工艺正常

29、。则除了要进艺参数，日常点检正常并不能保证工艺正常。则除了要进行日常点检外，还要进行行日常点检外，还要进行SPEC控制，如刻蚀速率等。控制，如刻蚀速率等。Company Confidential 60Do Not Copy3、SPC：采用：采用SPEC控制方法，最大的缺点是仍比较粗略，控制方法，最大的缺点是仍比较粗略，对某些关键参数，如果等到超出对某些关键参数，如果等到超出SPEC后再采取行动的话，往后再采取行动的话，往往有很多异常品已经产生。往有很多异常品已经产生。SPC的最大优点就是在异常发生的最大优点就是在异常发生之前，通过一些预警判断，及时采取正确的行动，防止异常之前，通过一些预警判断，及时采取正确的行动，防止异常品产生。品产生。Company Confidential 61Do Not Copy六、工艺选择的考